(57)【要約】【課題】  往路と復路の光ファイバで生じる位相変動量を等しくして、往路側の位相変動を完全に補正する。【解決手段】  本発明は、基準周波数信号を、基準周波数送信側から光ファイバにより基準周波数受信側に伝送する。この基準周波数送信側には、基準周波数信号の位相或いは周波数を電気段或いは光段において制御する制御部、及びこの制御された基準周波数信号を光信号に変換して送信する構成を有する。基準周波数受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換してさらに波長多重して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返す構成を有する。そして、基準周波数送信側では、前記基準周波数受信側から送り返された光信号を光分波器により分波し、さらに基準周波数を再生し、この再生信号と前記基準周波数信号との差を検出して、前記制御部を制御する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準周波数信号を、基準周波数送信側から光ファイバにより基準周波数受信側に伝送する基準周波数の供給方法において、
前記基準周波数送信側には、前記基準周波数信号の位相或いは周波数を電気段或いは光段において制御し、かつ、この位相或いは周波数の制御された基準周波数信号を光信号に変換して送信し、
前記基準周波数受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換してさらに波長多重して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返し、
基準周波数送信側では、前記基準周波数受信側から送り返された光信号を分波し、さらに基準周波数を再生し、この再生信号と前記基準周波数信号との差を検出して、この差信号に基づき、前記基準周波数信号の位相或いは周波数を制御することを特徴とする基準周波数の供給方法。
【請求項２】
基準時刻信号を、基準時刻送信側から光ファイバにより基準時刻受信側に伝送する基準時刻の供給方法において、
前記基準時刻送信側には、電気段或いは光段において前記基準時刻信号の送信時刻を調整制御し、かつ、この制御された基準時刻信号を光信号に変換して送信し、
前記基準時刻受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換してさらに波長多重して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返し、
基準時刻送信側では、前記基準時刻受信側から送り返された光信号を分波し、さらに基準時刻信号を再生し、この再生信号と前記基準時刻信号との差を検出して送受信間の遅延を計算し、その遅延量だけ送信時刻を調整するように制御するか、若しくは、該当する遅延量の値を送信時刻情報に付加して伝送して受信側で補正することを特徴とする基準時刻の供給方法。
【請求項３】
前記光ファイバ伝送路内に１台あるいは複数台の双方向光増幅器を用いた請求項１又は２に記載の基準周波数或いは時刻の供給方法。
【請求項４】
基準周波数信号を、基準周波数送信側から光ファイバにより基準周波数受信側に伝送する基準周波数の供給装置において、
前記基準周波数送信側には、前記基準周波数信号の位相或いは周波数を電気段或いは光段において制御する制御部、及びこの位相或いは周波数の制御された基準周波数信号を光信号に変換して送信する構成を有し、
前記基準周波数受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換するための波長変換部により波長を変換してさらに波長多重部を介して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返す構成を有し、
基準周波数送信側では、前記基準周波数受信側から送り返された光信号を光分波器により分波し、さらに基準周波数を再生し、この再生信号と前記基準周波数信号との差を検出して、前記制御部を制御することを特徴とする基準周波数の供給装置。
【請求項５】
基準時刻信号を、基準時刻送信側から光ファイバにより基準時刻受信側に伝送する基準時刻の供給装置において、
前記基準時刻送信側には、電気段或いは光段において前記基準時刻信号の送信時刻を調整制御する制御部、及びこの制御された基準時刻信号を光信号に変換して送信する構成を有し、
前記基準時刻受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換するための波長変換部により波長を変換してさらに波長多重部を介して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返す構成を有し、
基準時刻送信側では、前記基準時刻受信側から送り返された光信号を光分波器により分波し、さらに基準時刻信号を再生し、この再生信号と前記基準時刻信号との差を検出して送受信間の遅延を計算し、その遅延量だけ送信時刻を調整するように前記制御部を制御するか、若しくは、該当する遅延量の値を送信時刻情報に付加して伝送して受信側で補正することを特徴とする基準時刻の供給装置。
【請求項６】
前記光ファイバ伝送路内に１台あるいは複数台の双方向光増幅器を用いた請求項１又は２に記載の基準周波数或いは時刻の供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準周波数信号或いは時刻信号を、送信側から光ファイバにより受信側に伝送する基準周波数或いは時刻の供給方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（１）時間・周波数標準技術分野
世界の標準時である協定世界時（ＵＴＣ）は、各国の標準機関が有する原子発振器（原子時計）の時刻を各種手段により比較し（非特許文献１，２参照）、それらのデータを国際度量局（BIPM）がまとめて集計することにより得られている。こうして生成されたUTCと各国の原子発振器との位相差であるUTC- UTC(k)（kは各国の標準機関名）はCircular
TとしてBIPMより毎月公開される。また各国の標準機関はＵＴＣとの差を最小化するよう時間/基準周波数を生成している。このようにして得られた基準周波数を用いて、各国の標準機関は国内の校正事業者に対して国家標準として供給している。これまでのところ周波数校正については、ユーザが周波数発振器、周波数カウンタ等を標準機関に持ち込む必要があり、運搬に伴う時間と手間が掛かると共に、不確かさの増加要因ともなっている。このため遠方のユーザに対して位相/周波数変動の少ない基準周波数供給装置があると大変便利である。
【０００３】
また時刻比較方法としては、GPS衛星に搭載された原子発振器からの信号と各国の原子発振器を比較する方法（コモンビュー方式）、また衛星双方向時刻比較等がある。現在広く採用されているコモンビュー方式の場合の時刻比較精度は５ns程度が限界となっている（周波数についても同様である）。一方、各国の原子発振器の性能は年々向上し（安定度向上10-14 -> 10-15）、国際間の時刻比較法に関しても一桁高いサブnsの高精度化が強く求められており、光ファイバを用いた高精度時刻比較あるいは供給装置、また基準周波数供給装置が必要となりつつある。
【０００４】
（２）情報通信及び計測技術分野
情報通信技術分野にいては、光ファイバが全国に張り巡らされ、今日では、未使用状態の光ファイバはダークファイバと呼ばれ、他の業者に貸し出しが行われる状態になりつつある。また、各種の周波数発振器、周波数カウンタ、波長計は計測技術において重要な装置であり、前記のダークファイバあるいは構内において自前のファイバにより、基準周波数や光周波数標準（光の波長と等価）を遠方に送り、基準（標準）として利用したいという要求がある。
【０００５】
【非特許文献１】今江理人「時間・周波数精密比較法」通信総合研究所季報  Vol.49. Nos.1/2 pp.103-109 (2003).
【非特許文献２】今江、木原「周波数と時刻の精密比較・伝送技術の動向」電学論C、119巻7号、pp.771-776, (平成11年).
【非特許文献３】Yasuhisa Shibuya  他「Development and Application of the FrequencyRemote Calibration System in Japan」ATF 2004 (2004.10).
【非特許文献４】木原、久留、今岡「高精度なタイミングを供給する網同期システムの研究」ＮＴＴ技術ジャーナル、９月号、pp.60-63, 1992.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
産業界を始め、さまざまな分野で行われている各種の測定結果は国家計量標準に準拠していることが重要となる。時間・周波数標準の分野でも国家計量標準に繋がり（トレーサビリティ）をとるために、通常、校正事業者あるいは計測器ユーザは、周波数発振器やカウンタを標準機関に持ち込んで校正する必要があり、運搬に伴う時間と手間が掛かり、不確かさの増加要因ともなっている。このために衛星技術（非特許文献３参照）や光通信技術を用いて、遠方のユーザに連続的に標準が供給されることが望まれている。
【０００７】
また、周波数標準の供給に加えて、各標準機関の原子発振器の比較においては、原子発振器の性能向上（安定度向上10-14 -> 10-15オーダ）に伴い、周波数比較手段としても短時間に10-14〜10-15オーダの不確かさで比較できる技術が必要になっている。
【０００８】
光ファイバを用いて、単純に基準信号、ここでは5MHzあるいは10MHzの正弦波を伝送する形態を図１に示す。このような伝送系では、光ファイバ周囲の温度変動に伴い、光ファイバの屈折率と長さが変動する。石英ガラスの屈折率温度係数と熱膨張係数から、１kmあたり、１℃の温度上昇で、
【数１】
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となる。
【０００９】
図２は光ファイバ約５0kmを伝送させたときの位相変動量を温度変動とともに示している。測定中の最大温度変動量は1.5℃であり、このときの位相変動幅は約1.2nsである。式(1)から計算すると3.1nsとなるが、光ファイバボビンの熱時定数の関係で測定値は小さめに出ていると考えられる。
【００１０】
位相を微分した値は、瞬時周波数であるから位相の変動は周波数の変動に対応している。このため図１の位相変動結果を周波数の安定度として図示すると図３となる。２００秒より長い平均化時間においては、光ファイバの温度変動により周波数安定度（ここでは尺度としてアラン標準偏差を用いて表示）が劣化し、１,０００秒でのアラン標準偏差は約３×１０-14となる。このままでは、１×１０-1５オーダの安定度の周波数供給／時刻比較と供給は不可能となる。
【００１１】
このため、図４のように二本の光ファイバを用いて位相変動の補正を行うことが考えられるが(非特許文献４参照)、往路と復路の光ファイバで生じる位相変動量が異なるために往路側の位相変動を完全に補正することは困難である。
【００１２】
本発明は、係る問題点を解決して、往路と復路の光ファイバで生じる位相変動量を等しくして、往路側の位相変動を完全に補正することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の基準周波数の供給方法及び装置は、基準周波数信号を、基準周波数送信側から光ファイバにより基準周波数受信側に伝送する。この基準周波数送信側には、基準周波数信号の位相或いは周波数を電気段或いは光段において制御する制御部、及びこの位相或いは周波数の制御された基準周波数信号を光信号に変換して送信する構成を有する。基準周波数受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換するための波長変換部により波長を変換してさらに波長多重部を介して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返す構成を有する。そして、基準周波数送信側では、前記基準周波数受信側から送り返された光信号を光分波器により分波し、さらに基準周波数を再生し、この再生信号と前記基準周波数信号との差を検出して、前記制御部を制御する。
【００１４】
また、本発明の基準時刻の供給方法及び装置は、基準時刻信号を、基準時刻送信側から光ファイバにより基準時刻受信側に伝送する。この基準時刻送信側には、電気段或いは光段において前記基準時刻信号の送信時刻を調整制御する制御部、及びこの制御された基準時刻信号を光信号に変換して送信する構成を有する。基準時刻受信側においては、受信された光信号を２分岐して、一方の分岐信号は光電変換により基準信号を再生し、他方の分岐信号は受信波長とは異なる波長に変換するための波長変換部により波長を変換してさらに波長多重部を介して、前記光ファイバに入力して送信側に送り返す構成を有する。そして、基準時刻送信側では、前記基準時刻受信側から送り返された光信号を光分波器により分波し、さらに基準時刻信号を再生し、この再生信号と前記基準時刻信号との差を検出して送受信間の遅延を計算し、その遅延量だけ送信時刻を調整するように前記制御部を制御するか、若しくは、該当する遅延量の値を送信時刻情報に付加して伝送して受信側で補正する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、往路と復路が同一のファイバであるために信号の送信側で検出される光ファイバの温度変動による位相差は往路の２倍となり、検出位相差を零になるように制御することにより、往路の出力位相変動が補正される。図３のような２００秒より長い平均化時間における光ファイバの温度変動による安定度劣化は補正され、平均化時間に応じて不確かさを向上させることが可能となる。すなわちアラン標準偏差として、平均化時間１,０００秒〜１０,０００秒において１×１０-1５オーダが可能となる。
【００１６】
現在では校正器物を校正機関に持ち込んで、校正する必要があるが、本発明の装置を用いれば、持ち込みの必要がなくなる。本発明により、直接的かつ連続的に遠方に時間/周波数標準の供給が可能となる。
また、計測・測定器関連の製造者の構内での基準信号の分配系として本発明を用いるとこれまで、同軸伝送路では数百メートルが限界であった距離を大幅に向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図５は、本発明に基づき構成した基準周波数（或いは時刻）供給装置の第１の例を示す図である。図示したように、往路と復路の光ファイバを完全に同一として、位相補正を行う。そのために、基準周波数の送信側には、電気光変換（Ｅ／Ｏ）する前の電気段あるいはその後の光段において、位相/周波数の制御部（図示の位相制御部）を有し、基準周波数の受信側においては、受信された光信号（λ１）を光パワースプリッターにより２分岐して、片方は光電変換（Ｏ／Ｅ）により基準信号を再生し、片方は受信波長とは異なる波長に変換するための波長変換部により波長λ１をλ２に変換して波長多重部（光合分波器）を介して、前記の光ファイバに入力して送信側に送り返す構成としている。基準周波数送信側では、この送り返された光信号を光分波器により分波し、光電変換（Ｏ／Ｅ）して電気の基準周波数を再生し、この再生信号と基準信号との位相差を検出して、前記の位相制御部を制御する。これによって、往路と復路が同一のファイバであるために、信号の送信側で検出される光ファイバの温度変動による位相差は往路の２倍となり、検出位相差を零になるように制御することにより、往路の出力位相変動が補正される。
【００１８】
電気段の位相制御法として簡便には、シンセサイザーにより出力周波数を制御する方法や、位相同期回路（ＰＬＬ）を用いる方法などがあり、光段における位相/周波数の制御法としては外部からの電界により結晶の屈折率が変化する電気光学効果や、弾性波ひずみを利用した音響光学効果（ＡＯＭ）など多数の位相/周波数変調法が知られている。また波長変換部としては、フォトダイオードのような受光器で一度電気に変換してから、所望の波長で発振する半導体レーザを電気信号で変調する方法が簡便である。あるいは光の非線形効果を利用して直接波長変換することもできる。例えば四光波混合のような３次の光非線形による方法がある。また２次の光非線形効果による波長変換法としては擬似位相整合（ＱＰＭ-ＬＮと言われ、特に周期分極反転構造を持つLiNbO3はＰＰＬＮとも呼ばれる）のような波長変換法が知られている。
【００１９】
図６は、本発明に基づき構成した基準周波数（或いは時刻）供給装置の第２の例を示す図である。この図６には、時刻（あるいは時間ともいう）を伝送することを目的として、時刻情報源からの時刻情報が時刻送信側から送信されて、時刻受信側の時刻情報再生部で再生する例を示している。また、時刻送信側には時間遅延量を測定する装置（図示の時間差検出部）を有し、受信側から送り返される信号と送信する信号から送受信間の遅延を計算する。同一光ファイバなので測定値の１/2とすれば良い。その1/2とした遅延量だけ送信時刻を調整することにより高精度な時刻供給が可能となる。もしくは該当する遅延量の値を送信時刻情報に付加して伝送し、受信側で補正することも有効である。
【００２０】
図７は、本発明に基づき構成した基準周波数（或いは時刻）供給装置の第３の例を示す図である。図示の光ファイバには、光ファイバの損失による伝送距離の制限を克服するために、１台あるいは複数台の双方向の光増幅器が備えられている。
これまで周波数標準供給の効果を中心に述べたが、時間/周波数標準は、他の電圧等の物理量の基礎であり、本発明により周波数を使うあらゆる産業で利用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光ファイバを用いた通常の基準周波数の伝送形態例
【図２】温度変動による位相変動の例「E/O→光ファイバ→ＥＤＦＡ→O/E」
【図３】光ファイバ伝送系の周波数安定度（RF amp：電気増幅器、EO：電気光変換装置、OE：光電気変換装置、ＥＤＦＡ：エルビウム添加光ファイバ増幅器）
【図４】２本の光ファイバを用いた周波数（位相）変動の補正システム
【図５】波長変換を用いた基準周波数（或いは時刻）供給装置
【図６】時刻情報の供給装置
【図７】双方向光増幅器により長延化した基準周波数（或いは時刻）供給装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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